吳 鵬, 陶風(fēng)波, 蔚 超,李 群, 楊小平, 王 駿, 孫 磊

( 1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京，211103；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京，210029；3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京，211106)

0 引言

統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)是一種可分別或同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相和端電壓調(diào)節(jié)等多種功能的可控硅控制裝置?？稍诓桓淖兙W(wǎng)架結(jié)構(gòu)的前提下調(diào)節(jié)潮流、提高系統(tǒng)的輸電能力，通過(guò)快速無(wú)功吞吐，動(dòng)態(tài)地支撐接入點(diǎn)的電壓，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，是一種先進(jìn)的柔性輸電技術(shù)[1-2]。截至目前，世界上真正投入工業(yè)化運(yùn)行的UPFC 僅有4套，分別位于美國(guó)電力(American Electric Power，AEP)肯塔基州的Inez 變電站、美國(guó)紐約電力局的Marcy 變電站、韓國(guó)南半部的Kangjin 變電站和中國(guó)江蘇南京西環(huán)網(wǎng)鐵北變電站[3-4]。2017年投運(yùn)的蘇州UPFC變電站是世界首個(gè)500 kV電壓等級(jí)的UPFC工程。

500 kV串聯(lián)變壓器是UPFC工程關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著換流器與線(xiàn)路電壓、功率輸送調(diào)節(jié)的任務(wù)。串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組串聯(lián)入線(xiàn)路，閥側(cè)繞組接入換流器，換流器產(chǎn)生幅值、相位可控的電壓，通過(guò)串聯(lián)變壓器變換到網(wǎng)側(cè)，就可以等效為在線(xiàn)路上串入了1個(gè)幅值、相位可調(diào)的電源，實(shí)現(xiàn)UPFC的功能[5]。串聯(lián)變壓器具有特殊的聯(lián)結(jié)方式和運(yùn)行工況，與常規(guī)變壓器存在諸多不同。網(wǎng)側(cè)繞組主絕緣與線(xiàn)路電壓等級(jí)匹配，而網(wǎng)側(cè)繞組額定電壓往往遠(yuǎn)低于線(xiàn)路電壓，帶來(lái)了網(wǎng)側(cè)繞組絕緣水平復(fù)雜的特點(diǎn)。因此，絕緣試驗(yàn)中雷電全波沖擊試驗(yàn)和外施耐壓試驗(yàn)與常規(guī)變壓器差異較大。另外，串聯(lián)變壓器的特殊工況造成了其對(duì)抗短路能力和過(guò)勵(lì)磁能力要求高的特點(diǎn)[6]。

文中主要針對(duì)蘇州UPFC用500 kV油浸式串聯(lián)變壓器的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行深入解析。

1 運(yùn)行工況

串聯(lián)變壓器應(yīng)用于UPFC中，其網(wǎng)側(cè)繞組串聯(lián)于高電壓等級(jí)線(xiàn)路中，閥側(cè)繞組接入換流器，平衡繞組僅提供三次諧波通路，通過(guò)刀閘和開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)變壓器的投入和退出，如圖1所示。

圖1 串聯(lián)變壓器在UPFC中的基本接線(xiàn)示意Fig. 1 Schematic diagram of the series transformer in UPFC

合上網(wǎng)側(cè)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)，拉開(kāi)串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)2個(gè)刀閘，則串聯(lián)變壓器退出運(yùn)行。若合上串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)2個(gè)刀閘，拉開(kāi)網(wǎng)側(cè)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)，串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)串入線(xiàn)路，則串聯(lián)變壓器投入運(yùn)行，控制換流器輸出幅值和相位可調(diào)的電壓，通過(guò)串聯(lián)變壓器閥側(cè)到網(wǎng)側(cè)的能量變換傳輸，相當(dāng)于在網(wǎng)側(cè)線(xiàn)路上疊加1個(gè)幅值和相位可調(diào)的電壓源，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路有功和無(wú)功的精確控制，達(dá)到電網(wǎng)潮流控制的目的。

串聯(lián)變壓器通過(guò)網(wǎng)側(cè)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)拉開(kāi)或閉合可實(shí)現(xiàn)投入或退出，機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間約為幾十毫秒；閥側(cè)繞組除配置機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)外，還配置了晶閘管旁路開(kāi)關(guān)，晶閘管旁路開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間約為幾個(gè)毫秒。由于串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組額定電壓較系統(tǒng)電壓偏低，其網(wǎng)側(cè)繞組匝數(shù)較常規(guī)500 kV變壓器偏少，網(wǎng)側(cè)繞組端間絕緣難以承受500 kV系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)雷電過(guò)電壓的沖擊，需在網(wǎng)側(cè)繞組兩端就近配置網(wǎng)側(cè)跨接避雷器來(lái)限制網(wǎng)側(cè)繞組端間雷電過(guò)電壓，可降低串聯(lián)變壓器制造難度，網(wǎng)側(cè)跨接避雷器的選型應(yīng)與網(wǎng)側(cè)繞組絕緣水平匹配。

正常運(yùn)行工況下，串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組和閥側(cè)繞組基本為額定電流，網(wǎng)側(cè)繞組額定電流與線(xiàn)路額定電流一致，閥側(cè)繞組額定電流根據(jù)網(wǎng)側(cè)額定電流按照變比計(jì)算得到。

閥側(cè)開(kāi)路故障情況下，從網(wǎng)側(cè)看進(jìn)去串聯(lián)變壓器的阻抗會(huì)產(chǎn)生變化，接近于線(xiàn)路串聯(lián)電抗器，不考慮外部潮流的變化，串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組仍需要流經(jīng)線(xiàn)路額定電流，而閥側(cè)繞組和平衡繞組電流為零。

網(wǎng)側(cè)繞組線(xiàn)路單相接地短路故障情況下，閥側(cè)繞組將由晶閘管旁路開(kāi)關(guān)在極短時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，將閥側(cè)繞組短路導(dǎo)通。根據(jù)500 kV UPFC工程系統(tǒng)短路電流計(jì)算可得：網(wǎng)側(cè)繞組遠(yuǎn)景年最大短路電流約為額定電流的13倍，持續(xù)0.25 s。

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 基本參數(shù)

表1 串聯(lián)變壓器基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of series transformers

2.2 結(jié)構(gòu)型式

500 kV串聯(lián)變壓器繞組形式為單相雙繞組帶平衡繞組，分接方式為無(wú)分接。由于串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組串聯(lián)接入線(xiàn)路中，其網(wǎng)側(cè)繞組對(duì)地絕緣水平與500 kV線(xiàn)路電壓等級(jí)匹配，因此串聯(lián)變壓器繞組不能采用自耦形式，需要獨(dú)立的雙繞組結(jié)構(gòu)。另外，串聯(lián)變壓器閥側(cè)繞組接入換流器，換流器本身可以改變電壓幅值和相位，因此串聯(lián)變壓器不需要調(diào)電壓的分接開(kāi)關(guān)，采用無(wú)分接形式。

2.3 聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)

500 kV串聯(lián)變壓器的聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)與常規(guī)變壓器差異較大，主要是其網(wǎng)側(cè)繞組串聯(lián)入線(xiàn)路，并不像常規(guī)變壓器三相聯(lián)結(jié)成星形或三角形。其聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)為：?jiǎn)蜗酁镮0(網(wǎng)側(cè))，I0(閥側(cè))，i0(平衡繞組)；三相聯(lián)結(jié)為III(網(wǎng)側(cè))，yn(閥側(cè))，+d11(平衡繞組)；網(wǎng)側(cè)繞組首末端分別引出，繞組聯(lián)結(jié)如圖2所示。

圖2 500 kV串聯(lián)變壓器三相繞組聯(lián)結(jié)Fig.2 500 kV series transformer winding connection diagram

2.4 絕緣水平

網(wǎng)側(cè)繞組串聯(lián)入500 kV系統(tǒng)，其絕緣水平應(yīng)主要參考500 kV系統(tǒng)，并且充分考慮網(wǎng)側(cè)繞組匝數(shù)少的特征和過(guò)電壓情況，確定該繞組采用全絕緣結(jié)構(gòu)。閥側(cè)繞組和平衡繞組絕緣水平根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參照GB 311.1—2012[7]執(zhí)行，還應(yīng)滿(mǎn)足網(wǎng)側(cè)繞組絕緣試驗(yàn)時(shí)傳遞過(guò)電壓要求。500 kV串聯(lián)變壓器繞組絕緣水平如表2所示。

表2 繞組絕緣水平Tab.2 Insulation level of windings kV

串聯(lián)變壓器的特殊性決定了網(wǎng)側(cè)繞組匝數(shù)少，網(wǎng)側(cè)繞組難以承受500 kV系統(tǒng)的雷電沖擊過(guò)電壓，從而需要在網(wǎng)側(cè)繞組端間就近配置跨接避雷器來(lái)限制網(wǎng)側(cè)繞組端間雷電過(guò)電壓水平。經(jīng)核算通過(guò)跨接避雷器可以將串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組端間雷電過(guò)電壓限制在750 kV左右，因此將串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組端間額定雷電全波沖擊耐受電壓(峰值)設(shè)計(jì)為950 kV，既可以保障絕緣安全裕度，又盡量降低了串聯(lián)變壓器設(shè)計(jì)制造難度。

由于運(yùn)行工況中500 kV串聯(lián)變壓器存在網(wǎng)側(cè)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)閉合、刀閘也閉合的熱備用狀態(tài)，因此網(wǎng)側(cè)繞組相對(duì)地額定雷電全波沖擊耐受電壓(峰值)設(shè)計(jì)為1550 kV[8]，并且按照雙端同時(shí)入波進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)和試驗(yàn)考核。

網(wǎng)側(cè)繞組端間額定短時(shí)感應(yīng)或外施耐受電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，遠(yuǎn)大于運(yùn)行過(guò)電壓和試驗(yàn)傳遞過(guò)電壓，由于串聯(lián)變壓器特殊結(jié)構(gòu)原因無(wú)法試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.5 承受短路能力

串聯(lián)變壓器串聯(lián)于線(xiàn)路中，一旦線(xiàn)路發(fā)生相間、相對(duì)地短路時(shí)，線(xiàn)路上的短路電流就會(huì)穿越串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組，閥側(cè)繞組的晶閘管快速旁路開(kāi)關(guān)(TBS)會(huì)快速導(dǎo)通。相當(dāng)于閥側(cè)繞組短路，網(wǎng)側(cè)繞組會(huì)通過(guò)短路電流，根據(jù)計(jì)算該方式下網(wǎng)側(cè)繞組承受的短路電流相比常規(guī)變壓器短路要大很多。綜合考慮流經(jīng)串變短路電流限制及換流器容量選擇的需求，串變短路阻抗按20%考慮。根據(jù)遠(yuǎn)景年短路電流計(jì)算，500 kV母線(xiàn)最大短路電流為53 kA?？紤]對(duì)應(yīng)線(xiàn)路分支影響，并計(jì)及串變短路阻抗影響，經(jīng)計(jì)算流經(jīng)串變繞組的故障電流為37 kA。并以此作為流經(jīng)串聯(lián)變壓器短路電流最大工頻分量有效值，取短路電流沖擊系數(shù)為2.69[9]，可以計(jì)算得到串聯(lián)變壓器短路電流最大峰值為99.53 kA。500 kV串聯(lián)變壓器制造完成后，經(jīng)短路試驗(yàn)驗(yàn)證滿(mǎn)足承受短路能力要求。

2.6 承受過(guò)勵(lì)磁能力

串聯(lián)變壓器串聯(lián)于線(xiàn)路中，正常運(yùn)行中閥側(cè)繞組低阻導(dǎo)通運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)繞組中只有幾個(gè)安培電流用于勵(lì)磁。

閥側(cè)開(kāi)路故障情況下，閥側(cè)繞組開(kāi)路，網(wǎng)側(cè)繞組電流受制于線(xiàn)路輸送容量變化緩慢，則串聯(lián)變壓器相當(dāng)于串聯(lián)電抗器，線(xiàn)路電流將全部參與勵(lì)磁，串聯(lián)變壓器將出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)。經(jīng)有限元仿真計(jì)算，正常工況和閥側(cè)開(kāi)路過(guò)程中串聯(lián)變壓器鐵心磁通密度分別如圖3、圖4所示。

圖3 閥側(cè)開(kāi)路工況下鐵心的磁密Fig.3 The core magnetic field under value winding open circuit

圖4 正常運(yùn)行工況下鐵心磁密Fig.4 The core magnetic field under normal operation

硅鋼片材質(zhì)鐵心通常磁通密度在2T已經(jīng)開(kāi)始飽和，可以看出閥側(cè)開(kāi)路狀態(tài)時(shí)鐵心局部出現(xiàn)了磁飽和。

3 試驗(yàn)要求

串聯(lián)變壓器的大部分試驗(yàn)項(xiàng)目要求與常規(guī)變壓器無(wú)特殊差異，如電壓比及聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)測(cè)量、繞組直阻測(cè)試、繞組對(duì)地及繞組間電容及介損測(cè)試、絕緣電阻測(cè)量、負(fù)載試驗(yàn)、空載試驗(yàn)、長(zhǎng)時(shí)感應(yīng)耐壓試驗(yàn)、繞組頻率響應(yīng)特性試驗(yàn)、操作沖擊試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、聲級(jí)測(cè)定等。而網(wǎng)側(cè)繞組雷電全波沖擊試驗(yàn)、網(wǎng)側(cè)繞組外施交流耐壓試驗(yàn)則存在顯著差異，具體差異如下。

3.1 網(wǎng)側(cè)繞組雷電全波沖擊試驗(yàn)

串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組采用的全絕緣設(shè)計(jì)，雷電波從網(wǎng)側(cè)繞組兩端均可能侵入，因此，每個(gè)網(wǎng)側(cè)繞組應(yīng)分別開(kāi)展兩端的雷電全波沖擊試驗(yàn)。串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組往往匝數(shù)少，網(wǎng)側(cè)繞組與閥側(cè)繞組變比為43.5/105，串聯(lián)變壓器內(nèi)部的過(guò)電壓傳遞比常規(guī)變壓器更加復(fù)雜和嚴(yán)重，因此網(wǎng)側(cè)繞組端間雷電全波沖擊試驗(yàn)中不能將閥側(cè)繞組和平衡繞組簡(jiǎn)單短路接地，需要順便開(kāi)展傳遞過(guò)電壓對(duì)閥側(cè)繞組和平衡繞組的考核。因此，開(kāi)展網(wǎng)側(cè)繞組端間雷電全波沖擊試驗(yàn)時(shí)，考慮傳遞過(guò)電壓，閥側(cè)繞組和平衡繞組端頭宜接避雷器，避雷器應(yīng)與工程中配置一致。

開(kāi)展網(wǎng)側(cè)繞組端間雷電全波沖擊試驗(yàn)時(shí)，網(wǎng)側(cè)繞組一端入波，另一端經(jīng)分流器接地；閥側(cè)繞組一端經(jīng)避雷器接地，另一端直接接地；平衡繞組一端經(jīng)避雷器接地，另一端直接接地，試驗(yàn)接線(xiàn)如圖5所示。

圖5 串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組端間雷電沖擊試驗(yàn)Fig.5 Lightning impulse test of the side windings of the series transformers

由于存在網(wǎng)側(cè)繞組兩端同時(shí)侵入雷電沖擊的情況，因此在開(kāi)展網(wǎng)側(cè)繞組相對(duì)地雷電全波沖擊試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)充分考慮工程實(shí)際接線(xiàn)情況，采用網(wǎng)側(cè)繞組兩端短接同時(shí)入波的雷電沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)接線(xiàn)如圖6所示，網(wǎng)側(cè)繞組兩端短接入波，閥側(cè)繞組一端經(jīng)避雷器接地，另一端經(jīng)分流器接地；平衡繞組一端經(jīng)避雷器接地，另一端直接接地。

圖6 串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組相對(duì)地雷電沖擊試驗(yàn)Fig.6 Lightning impulse test of the winding of the series transformers to earth

因避雷器的存在，試驗(yàn)程序中應(yīng)在全電壓全波沖擊試驗(yàn)后進(jìn)行不同電壓值的降低電壓全波沖擊試驗(yàn)。該降低電壓值與試驗(yàn)電壓逐次上升至全壓全波沖擊試驗(yàn)過(guò)程中所用的幾個(gè)電壓降低值相同，例如：60%，80%，100%，100%，100%，80%，60%。對(duì)于帶避雷器的雷電全波沖擊試驗(yàn)，降低電壓全波沖擊示波圖與全電壓全波沖擊示波圖可能存在差異。因此可對(duì)3次全電壓全波沖擊示波圖進(jìn)行比較，并對(duì)相同電壓值的降低電壓全波沖擊示波圖試驗(yàn)前后進(jìn)行比較，無(wú)明顯差異，則認(rèn)為試驗(yàn)合格。

3.2 網(wǎng)側(cè)繞組外施交流耐壓試驗(yàn)

串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組相對(duì)地主絕緣水平與端間的縱向絕緣水平不匹配，相對(duì)地主絕緣水平與接入線(xiàn)路電壓等級(jí)相關(guān)，額定短時(shí)感應(yīng)或外施耐受電壓為680 kV；而網(wǎng)側(cè)繞組端間縱向絕緣水平需要綜合考慮額定電壓、繞組匝數(shù)和各種過(guò)電壓水平來(lái)確定，設(shè)計(jì)為200 kV，低于主絕緣水平。由此，長(zhǎng)時(shí)感應(yīng)耐壓帶局放測(cè)量試驗(yàn)在網(wǎng)側(cè)繞組感應(yīng)出來(lái)的電壓只達(dá)到了最高額定電壓的1.7倍(約42.7 kV)，不足以考核網(wǎng)側(cè)繞組主絕緣的局部放電水平，需要采用外施交流耐壓試驗(yàn)來(lái)考核。

開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行局部放電測(cè)量，試驗(yàn)接線(xiàn)如圖7所示。施加電壓應(yīng)按圖8所示的電壓時(shí)間順序來(lái)檢驗(yàn)變壓器的局部放電性能。

圖7 串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組外施交流耐壓試驗(yàn)Fig.7 The test of the external voltage withstand test of the series transformer net side winding

圖8 外施耐壓試驗(yàn)流程Fig.8 The external voltage withstand test procedure

(1) 在不大于U2/3的電壓下接通電源，U2為1.5倍最高相對(duì)地電壓；

(2) 上升至U1保持60 s，U1為試驗(yàn)?zāi)褪茈妷海?/p>

(3) 降低至U2保持60 min，測(cè)試局部放電量；

(4) 降低至U3保持5 min，U3為1.1倍最高相對(duì)地電壓，測(cè)試局部放電量；

(5) 當(dāng)電壓降低至不大于U2/3的電壓，方可斷開(kāi)電源。

各測(cè)試階段局放量均不應(yīng)大于100 pC。

4 結(jié)語(yǔ)

文中充分考慮500 kV油浸式串聯(lián)變壓器與常規(guī)變壓器的差異性及特點(diǎn)，在技術(shù)特點(diǎn)方面對(duì)500 kV油浸式串聯(lián)變壓器的基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)、絕緣水平、承受短路能力、承受過(guò)勵(lì)磁能力等進(jìn)行了解析；在試驗(yàn)方面規(guī)定了500 kV油浸式串聯(lián)變壓器獨(dú)特的試驗(yàn)項(xiàng)目，如雷電全波沖擊試驗(yàn)和外施交流耐壓帶局放測(cè)試試驗(yàn)的具體要求。

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Q/GDW 11551—2016 Technical specification for 220 kV series oil transformer of unified power flow controller[S]． Beijing：China Electric Power Press，2017．

[7] GB 311.1—2012 絕緣配合 第1部分：定義、原則和規(guī)則[S]． 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

GB 311.1—2012 Insulation coordination—Part 1: Definitions, principles and rules[S]．Beijing：China Electric Power Press，2012．

[8] GB1094.3—2016電力變壓器 第3部分：絕緣水平、絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙[S]． 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

GB1094.3—2016 Power transformers—Part 3: Insulation levels, dielectric test and external clearances in air[S]．Beijing：China Electric Power Press，2016．

[9] GB1094.5—2008 電力變壓器 第5部分：承受短路的能力[S]． 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

GB1094.5—2008 Power transformers—Part 5: Ability to withstand short circuit[S]．Beijing：China Electric Power Press，2008．